一种机动化箔条幕协同布放方法与流程

1.本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种机动化箔条幕协同布放方法。


背景技术：

2.为有效防御主动雷达体制空中威胁攻击、保证海上平台免受打击，采用箔条进行针对性无源干扰构设是重要方式，具备成本低、使用简便、可从雷达主瓣干扰等优势。但是，伴随动目标显示等雷达抗干扰技术在威胁目标中的应用，传统箔条布放方法的干扰效能大为降低，因此有必要提出一种新的布放思路。
3.从公开资料来看，目前已经积累了一些关于箔条干扰实施的研究成果。其中一部分基于协同式理念，将箔条布放与有源干扰或自身平台机动相结合，探索提升干扰效果的方法；如，将有源压制干扰与箔条干扰进行协同，通过干扰波束直接照射扩散团来增强干扰能力；通过研究直升机机动、海上平台机动与箔条干扰相结合的方式，得到有效的平台机动方案与箔条布放方案；综合而言，上述研究成果在一定程度上有效规避了传统箔条干扰本身的弊端，但由于对协同双方在空间和时间的配合上要求较高，因此在复杂的实际环境中可实施性有待商榷。另一部分学者则提出箔条幕干扰理念，通过在空中威胁来袭方向一次性投放数枚箔条，对设备形成有效遮蔽；此类箔条幕干扰方法具有较强的可实施性，但是由于幕墙为预先一次性布放，导致其质心固定不变，无法有效规避雷达导引头动目标显示等抗干扰技术，即使有后期补放措施，其施放平台也为被保护目标本身，一旦时机掌握不够科学，容易暴露目标，起到相反效果。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种机动化箔条幕协同布放方法，在保持传统箔条幕干扰本身优势的情况下，通过无人机和海上平台协同布放箔条弹构设箔条幕干扰，基于改进的布谷鸟搜索算法以控制箔条弹布放速率和方向，使箔条幕能量质心随时间增长不断移动，有效应对雷达导引头抗干扰技术，并保证海上平台成功逃逸。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种机动化箔条幕协同布放方法，海上平台与无人机协同施放箔条弹，其中，海上平台施放箔条弹用以遮掩自身目标，以保证空中威胁雷达导引头无法发现海上平台，无人机施放箔条弹与海上平台施放方向基本相反，用以使箔条幕能量质心与海上平台距离逐渐增大，直至海上平台成功逃出空中威胁雷达导引头跟踪范围。
7.包括以下具体步骤：
8.步骤1，构建空中威胁运动特性模型与海上平台运动特性模型，步骤包括：
9.步骤101，对于空中威胁运动特性模型，根据导引头采用的制导规律(追踪法、平行接近法、比例导引法)确定，并求解空中威胁随时间变化的位置坐标；
10.步骤102，对于海上平台运动特性模型，通过建立海上平台位置与时间和初始时刻坐标位置的函数关系确定；
11.步骤2，构建机动化箔条幕特性模型，步骤包括：
12.步骤201，构建机动化箔条幕形态模型，具体包括：
13.(1)计算单发箔条弹完全散开后的平均有效反射面积和平均有效反射半径；
14.(2)定义相邻两发箔条弹间距离，该距离小于2倍的平均有效反射半径r，进而确定t时刻箔条幕长度；
15.步骤202，构建机动化箔条幕运动模型，步骤包括：
16.(1)根据海上平台与空中威胁位置、风向、风速、相邻两发箔条弹间距离及箔条幕轴线相对初始弹目方向法线偏转角度，求取海上平台和无人机分别布放箔条弹的方向、相邻两发箔条弹间布放时间差和布放距离、箔条弹布放个数表达式；
17.(2)计算每发箔条弹初始布放位置坐标与初始布放时刻，以及t时刻每发箔条弹位置坐标、形成的箔条幕能量质心坐标及边缘点坐标；
18.步骤203，构建箔条补弹策略，步骤包括：
19.(1)当某发箔条弹持续扩散时间大于箔条弹有效作用时间时，需要进行至少一次补弹；根据空中威胁起爆时刻，求取每发箔条弹对应的补弹次数，补弹位置为补弹时刻该发箔条弹位置；
20.(2)计算空中威胁起爆前，箔条补弹总次数；
21.步骤3，构建机动化箔条幕干扰效能模型，步骤包括：
22.步骤301，构建干扰效能目标函数，通过综合考虑箔条幕墙能量质心与海上平台质心的距离、无人机飞行损耗、箔条弹消耗量、箔条补弹次数定义。
23.步骤302，构建干扰效能约束条件，具体步骤包括：
24.(1)构建遮蔽有效性条件，包含两项子条件：一是箔条幕两个边缘点分别与空中威胁质心、海上平台质心构成的夹角均小于两个边缘点与空中威胁构成的夹角，证明海上平台处于箔条幕遮蔽范围；二是海上平台与空中威胁位于箔条幕两侧；
25.(2)构建拖引有效性条件，包含两项子条件：一是海上平台质心与空中威胁质心、箔条幕能量质心构成的夹角大于雷达导引头跟踪波束角度；二是起爆时刻，海上平台质心与箔条幕能量质心距离大于空中威胁杀伤半径；
26.(3)构建资源损耗约束条件，包含两项子条件：一是无人机与海上平台分别消耗的箔条弹量均小于平台初始装载箔条弹量；二是无人机飞行距离小于最大可飞行距离；
27.(4)构建发射能力约束条件，海上平台发射每发箔条弹距离均需小于最大可发射距离。
28.步骤4，采用布谷鸟搜索算法求取最佳布放方案，通过参数初始化、种群个体初始化和优化迭代过程，输出全局最优解，优化参数包括海上平台与无人机箔条弹布放速率、海上平台布放首发箔条弹位置距离海上平台初始位置距离、海上平台机动角度、箔条幕轴线相对初始弹目方向法线偏转角度，求取的布放方案参数为每发箔条弹初始布放位置和布放时刻、补发弹位置和补发时刻。
29.与现有技术比，本发明的有益效果是：基于布谷鸟搜索算法，借助无人机与海上平台协同进行箔条弹布放，完成机动化箔条幕构设，以针对空中威胁主动雷达导引头形成箔条幕能量质心随时间不断移动的箔条幕干扰，有效应对雷达导引头新型抗干扰技术。
附图说明
30.图1是本发明的机动化箔条幕协同布放方法的整体流程示意图；
31.图2是本发明实施例获得的迭代优化曲线图；
32.图3是本发明实施例获得的机动化箔条幕布放方案示意图。
具体实施方式
33.下面以空中威胁基于比例导引法攻击海上平台目标，海上平台与无人机协同进行机动化箔条幕干扰构设为案例，对本发明方案的实施过程进行具体说明，如图1所示，具体包括以下步骤：
34.步骤1，构建空中威胁与海上平台运动特性模型，步骤包括：
35.步骤101，基于比例导引机理(式(1))计算空中威胁位置坐标。
[0036][0037]
式(1)中，[m
x
(t),my(t)]表示t时刻空中威胁m的位置坐标，vm表示空中威胁攻击速率，bm(t)表示t时刻空中威胁攻击方向与基准线夹角，δt表示t-1时刻与t时刻的时间差值。
[0038]
步骤102，计算海上平台位置坐标，如式(2)：
[0039][0040]
式(2)中，[s
x
(t),sy(t)]、[s
x
(0),sy(0)]分别表示海上平台s在t时刻和初始时刻的坐标位置，ωs表示海上平台机动角度，β表示海上平台初始机动角度，δβ表示海上平台机动转角。
[0041]
步骤2，构建机动化箔条幕特性模型，步骤包括：
[0042]
步骤201，构建单发箔条弹形态模型：
[0043]
(1)计算单发箔条弹完全散开后的平均有效反射面积和平均有效反射半径，综合考虑互耦效应以及箔条损坏因素，求取结果如式(3)和(4)所示：
[0044][0045][0046]
式(3)和式(4)中，σn表示单发箔条弹完全散开后的平均有效反射面积，n表示单发箔条弹的箔条根数，λ表示雷达电磁波波长，表示半波长箔条的平均有效反射面积，其大小为0.17λ2，r表示单发箔条弹完全散开后的平均有效反射半径。
[0047]
(2)定义相邻两发箔条弹间距离为则t时刻箔条幕长度lc(t)如式(5)所示：
[0048][0049]
式(5)中，n(t)表示t时刻施放的箔条弹总个数，表示预设的施放相邻箔条弹间距离。
[0050]
步骤202，构建箔条幕运动模型：
[0051]
(1)根据海上平台与空中威胁位置、风向、风速、相邻两发箔条弹间距离及箔条幕偏转角度，求取海上平台和无人机分别布放相邻两发箔条弹间时间差(式(6))、相邻两发箔条弹间布放距离(式(7))、箔条弹布放方向(式(8))、箔条弹布放个数(式(9))表达式；
[0052][0053]
li＝viδti(i＝1,2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0054][0055][0056]
式(6)～(9)中，i为1和2时，分别表示海上平台与无人机平台；式(6)中，δti表示平台i布放相邻两发箔条弹间时间差，vi表示平台i布放箔条弹速率，vw表示风速，ωw表示风向，在不同对抗场景下大小不同，当my(0)＞0且s
x
(0)＞0时，当my(0)＞0且s
x
(0)＜0时，当my(0)＜0且s
x
(0)＜0时，当my(0)＜0且s
x
(0)＞0时，γ表示初始时刻弹目方向与y轴夹角，求取方式如式(10)所示；α为箔条幕轴线方向相对于初始弹目轴线法线的偏转角；式(7)中，li表示平台i布放相邻两发箔条弹间隔；式(8)中，表示平台i布放箔条弹方向，具体为布放方向与箔条幕轴法线方向的夹角；式(9)中，n(t)为箔条弹布放总个数，ni(t)、n2(t)分别表示t时刻平台i布放的箔条弹个数。
[0057][0058]
(2)计算每发箔条弹初始布放位置坐标与初始布放时刻，以及t时刻每发箔条弹位置坐标、形成的箔条幕能量质心坐标及边缘点坐标；
[0059]
①
箔条弹初始布放位置
[0060]
表示平台i发射的第j发箔条弹c
ij
的初次布放位置坐标，具体见(i)～(ii)。
[0061]
(i)c
11
和c
21
初次布放位置
[0062][0063]
式(11)中，k1、k2、k3、k4在不同对抗场景下大小不同。当my(0)＞0且s
x
(0)＞0时，k1＝1、k2＝2；当时，k3＝2、k4＝2；当时，k3＝1、k4＝1；当my(0)＞0且s
x
(0)＜0时，k1＝2、k2＝2；当时，k3＝2、k4＝1；当时，k3＝1、k4＝2。当my(0)＜0且s
x
(0)＜0时，k1＝2、k2＝1；当时，k3＝2、k4＝2；当时，k3＝1、k4＝1；当my(0)＜0且s
x
(0)＞0时，k1＝1、k2＝1；当时，k3＝2、k4＝1；当时，k3＝1、k4＝2；当my(0)s
x
(0)＞0时，ψ＝γ+α，当my(0)s
x
(0)＜0时，ψ＝-γ+α。
[0064]
(ii)其他箔条弹初次布放位置
[0065][0066]
式(12)中，k5～k
10
在不同对抗场景下大小不同，具体数值如表1所示。表1中，ωw列表示风向不同角度范围，ⅰ表示ⅱ表示ⅲ表示ⅳ表示
[0067]
表1k5～k
10
赋值
[0068][0069]
②
箔条弹实时位置坐标
[0070][0071]
③
箔条幕质心坐标
[0072]
式(14)中，表示t时刻箔条幕质心坐标。
[0073][0074]
④
箔条幕边缘点坐标
[0075]
式(15)中，表示t时刻平台i方向幕墙边缘点坐标，海上平台方向边缘点定义为a，无人机方向边缘点定义为b。
[0076][0077]
步骤203，构建箔条补弹策略，
[0078]
设每发箔条弹形成有效箔条云后的作用时间为te，若t
b-t
ij
＞te时，则箔条弹c
ij
需要进行补发。考虑到箔条弹施放时间及形成有效箔条云所需时间，设置每次补发需要在对应箔条云失效前δt时刻进行，由此进一步计算出补弹次数、每次补弹时刻及补弹位置，具体如式(16)～(20)所示。其中，g
ij
表示箔条弹c
ij
所需补弹次数，g
isum
表示由平台ui施放的箔条补弹总次数，和分别表示箔条弹c
ij
第q3次补发时刻和补发位置。
[0079]gij
＝floor[(t
b-t
e-t
ij
)/(t
e-δt)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0080][0081][0082][0083][0084]
步骤3，构建机动化箔条幕干扰效能模型，步骤包括：
[0085]
步骤301，构建干扰效能目标函数，通过综合考虑箔条幕墙能量质心与海上平台质心的距离、无人机飞行损耗、箔条弹消耗量、箔条补弹次数定义。
[0086]
式(21)为机动化箔条幕布放的目标函数求取公式。f表示目标函数值；f
l
表示箔条幕墙能量质心c与海上平台质心s的距离表征函数，表示t时刻箔条幕边缘点a与其能量质心c构成的向量，表示t时刻箔条幕能量质心c与海上平台s构成的向量；fh表示无人机飞行损耗，v2t表示箔条弹布放过程中无人机飞行距离，l
max
表示无人机可飞行最长距离；f
sc
表示海上平台方箔条弹损耗，n
1sum
和n
1max
分别表示海上平台箔条弹释放量和其装配箔条弹数量；f
ac
表示无人机方箔条弹损耗，n
2sum
和n
2max
表示无人机箔条弹布放量和其装配箔条弹数量；λ1、λ2、λ3和λ4分别表示f
l
、fa、f
sc
和f
ac
的权重系数，且有λ1+λ2+λ3+λ4＝1；g
sum
表示对抗过程中箔条补弹总次数。
[0087][0088]
步骤302，构建干扰效能约束条件。
[0089]
(1)遮蔽有效性约束条件
[0090]
在整个干扰过程中，空中威胁与海上平台始终处于箔条幕两边，且海上平台始终被箔条幕有效遮掩从而无法被空中威胁发现时，判定为遮蔽有效，具体如式(22)和(23)所示。式(22)中，表示t时刻箔条幕墙轴线方程，将空中威胁质心坐标[m
x
(t),my(t)]和海上平台质心坐标代入方程，所得两个函数值乘积z1小于0时，表示空中威胁与海上平台在箔条幕墙轴线两边；式(23)中，∠ams、∠bms表示t时刻箔条幕两个边缘点a和b分别与空中威胁质心m、海上平台质心s构成的夹角，∠amb表示a、m、b构成的夹角，当∠ams和∠bms均小于∠amb时，即和均小于0时，z2为-1，证明此时海上平台位于箔条幕墙遮蔽范围内。
[0091][0092][0093]
(2)拖引有效性约束条件
[0094]
拖引有效性是指，在空中威胁起爆时刻，海上平台成功逃离空中威胁雷达导引头跟踪波束和空中威胁杀伤范围，具体分别如式(24)～(25)所示。其中，θm表示雷达导引头跟踪波束角度，表示空中威胁起爆tb时刻m到箔条幕边缘点b构成的向量，表示空中威胁起爆tb时刻m到s构成的向量，θm表示雷达导引头跟踪波束角度。
[0095][0096][0097]
(3)资源损耗约束条件
[0098]
该约束条件包括箔条弹消耗约束条件和无人机飞行约束条件，分别如式(26)～(27)所示。其中，式(26)表示海上平台与无人机的箔条弹发射量均需小于或等于自身箔条弹储备量，即且z5＝-1；式(27)表示无人机飞行距离v2t需小于其可飞行最大距离l
max
，即z6≤0。
[0099][0100]
z6＝v2t-l
max
≤0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0101]
(4)发射能力约束条件
[0102]
该约束条件表示海上平台发射每发箔条弹距离均需小于最大可发射距离，如式(28)所示。其中，z7为该约束条件表征参数，l
1j
表示海上平台发射第j发箔条弹距离，l
cmax
表示最大可发射距离，表示海上平台方向第j发箔条弹发射距离与最大可发射距离差值。当j＝1、2、
……
、n
1sum
时，均小于0时，则z7赋值为-1，此时满足发射能力约束条件。
[0103][0104]
步骤4，采用布谷鸟搜索算法求取最佳布放方案，通过参数初始化、种群个体初始化和优化迭代过程，输出全局最优解；优化参数包括海上平台与无人机箔条弹布放速率、海上平台布放首发箔条弹位置距离海上平台初始位置距离、海上平台机动角度、箔条幕偏转角度，求取的布放方案参数为每发箔条弹初始布放位置和布放时刻、补发弹位置和补发时刻。
[0105]
步骤5，应用场景说明
[0106]
侦察预警系统发现有主动雷达制导空中威胁袭击海上平台，随即开展自卫式机动化箔条幕布放。已知：初始时刻空中威胁与海上平台位置坐标分别为[0，10km]和[15km，0]；空中威胁飞行速度为150m/s，初始视线角为0
°
，初始空中威胁速度向量角为0
°
，最大杀伤半径为100m，雷达导引头工作频率为3ghz，角分辨力为0.1rad；海上平台最大行驶速度为20节(10m/s)，初始行驶方向为20
°
，海上平台最大箔条弹可发射距离为2km；无人机最大飞行速度为50m/s，一次最大飞行距离10km；无人机与海上平台装载箔条弹总量均为30颗，每颗箔条弹箔条数量为5
×
106根，相邻两枚箔条弹间距离l1为1.8r，单枚箔条弹云团最大可持续时间为60s，每次补弹需提前3s进行；海风4级(7m/s)，风向为330
°
；λ1、λ2、λ3、λ4分别为0.3、0.3、0.2和0.2。
[0107]
迭代优化曲线如图2所示，其中横纵标为迭代次数，纵坐标为目标函数值；优化方案如图3所示，具体说明如下：
[0108]
机动化箔条幕构设共需消耗6颗箔条弹，整个过程无需补弹，对抗过程持续50.13s时，舰船驶出空中威胁跟踪波束范围，初始时刻箔条幕轴向较弹目法线偏转角度为-5.31
°
，舰船机动偏转角度为29.43
°
，初始时刻舰船和无人机分别布放箔条弹2发和4发，布放方向φ1和分别为29.64
°
和75.66
°
。
[0109]
舰船布放的2发箔条弹位置分别为(14.75，0.74)km、(15.12，0.66)km，布放时刻分别为0s、37.85s。
[0110]
无人机布放的4发箔条弹分别为(14.51,0.49)km、(14.30，0.14)km、(14.09，-0.21)km、(13.88,-0.56)km，布放时间分别为0s、15.82s、31.64s、47.46s。